韓崇巍 金迪 楊居翰 趙啟偉 張旸 李文君 杜卓林

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

導(dǎo)熱填料是固-固界面?zhèn)鳠釓?qiáng)化的填充材料,在航天器各個(gè)組件的熱連接中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。目前,國(guó)內(nèi)航天器使用最普遍的是RKTL-DRZ-1型導(dǎo)熱脂,但其具有易爬油的缺點(diǎn)[1],在對(duì)可凝揮發(fā)物、油類等敏感的設(shè)備上(如微波開關(guān)、光學(xué)部件等)限制使用。此外,隨著航天器上高熱耗、高熱流密度設(shè)備的增多,RKTL-DRZ-1型導(dǎo)熱脂對(duì)界面接觸傳熱的改善效果已漸顯不足。為適應(yīng)航天器對(duì)熱控設(shè)計(jì)的不同需求,國(guó)內(nèi)針對(duì)性開發(fā)了2款航天器用導(dǎo)熱填料,主要包括提高界面接觸傳熱系數(shù)的改進(jìn)型產(chǎn)品RKTL-DRZ-2型導(dǎo)熱脂,以及改善爬油情況的RKTL-DRNJ-1型導(dǎo)熱凝膠[2]。

對(duì)導(dǎo)熱填料接觸傳熱系數(shù)的測(cè)量,一般是按標(biāo)準(zhǔn)方法(一維穩(wěn)態(tài)熱流法)對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試,但這種方法采用的是小面積試件(Ф25mm、厚度0.1mm),且是在均勻壓力條件下測(cè)量,而工程實(shí)際應(yīng)用時(shí),設(shè)備安裝面尺寸一般為幾十至幾百毫米,且通過螺釘分布式安裝,安裝面壓力并不均勻,因此標(biāo)準(zhǔn)方法的測(cè)量值會(huì)明顯優(yōu)于工程實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)下的工程值(如RKTL-DRZ-1型導(dǎo)熱脂,標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)量時(shí)的接觸傳熱系數(shù)約為20000W·m-2·K-1,工程實(shí)際應(yīng)用時(shí)為500～2000W·m-2·K-1),標(biāo)準(zhǔn)方法的測(cè)量值無法直接用于工程設(shè)計(jì)。對(duì)于已在航天器上普遍使用的RKTL-DRZ-1型導(dǎo)熱脂,其應(yīng)用狀態(tài)下的接觸傳熱系數(shù)通過熱平衡試驗(yàn)及在軌飛行數(shù)據(jù)修正,已有較多的數(shù)據(jù)積累。而對(duì)于RKTL-DRZ-2型導(dǎo)熱脂及RKTL-DRNJ-1型導(dǎo)熱凝膠,由于目前在航天器上應(yīng)用較少,其實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)下的接觸傳熱系數(shù)缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐,而設(shè)備安裝面的接觸傳熱系數(shù)是航天器熱分析的重要參數(shù),對(duì)熱分析的準(zhǔn)確性及熱設(shè)計(jì)方案的可行性評(píng)估具有很大影響。

國(guó)內(nèi)外對(duì)界面接觸傳熱系數(shù)開展了大量的試驗(yàn)及理論研究[3-7],影響接觸傳熱系數(shù)的因素多樣、復(fù)雜,包括平面度、粗糙度、緊固件分布、擰緊力矩、設(shè)備及安裝板剛度等,但尚未有普適性理論可以計(jì)算獲得接觸傳熱系數(shù),因此國(guó)內(nèi)外航天器熱設(shè)計(jì)時(shí)選用的接觸傳熱系數(shù)大多來自試驗(yàn)。本文研究的目的是獲取2種新開發(fā)的航天器用導(dǎo)熱填料在工程應(yīng)用狀態(tài)下的接觸傳熱性能,采用試驗(yàn)方法對(duì)航天器上設(shè)備典型尺寸及不同固定螺釘分布情況下的接觸傳熱系數(shù)進(jìn)行分析,并獲取保證航天器用導(dǎo)熱填料填充效果的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由設(shè)備模擬板、輻射板、空間環(huán)境模擬器、程控電源和測(cè)控溫設(shè)備等組成。設(shè)備模擬板共3種,每種模擬板各3塊,用于模擬航天器上典型設(shè)備的安裝底板,在模擬板安裝面上開設(shè)小方槽及導(dǎo)線槽,用于熱電偶的粘貼及熱電偶線纜引出。每個(gè)模擬板頂面均設(shè)置1路加熱器。模擬板相關(guān)信息見表1,尺寸如圖1～圖3所示。輻射板共2種,每種輻射板各1塊,用于模擬板的安裝。如圖4所示,輻射板1用于模擬板1-1～1-3和2-1～2-3的安裝,輻射板2用于模擬板3-1～3-3的安裝。作為熱沉排散模擬板熱耗,輻射板外表面噴黑漆(模擬板安裝面除外)。輻射板上開設(shè)M4螺紋孔,在其與模擬板安裝面上開設(shè)小方槽及導(dǎo)線槽,用于熱電偶的粘貼及熱電偶線纜引出。輻射板相關(guān)信息見表2。參考航天器上設(shè)備的一般安裝要求,模擬板通過M4螺釘固定于輻射板上,擰緊力矩2.0N·m,輻射板與模擬板之間涂不同規(guī)格的導(dǎo)熱填料。為盡可能降低輻射板溫度,輻射板直接放在真空室內(nèi)導(dǎo)軌上。試驗(yàn)時(shí),空間環(huán)境模擬器通液氮、抽真空,試驗(yàn)裝置示意如圖5所示。

圖1 模擬板1尺寸

圖2 模擬板2尺寸

圖3 模擬板3尺寸

圖4 輻射板與模擬板組裝示意

圖5 試驗(yàn)裝置示意

表1 模擬板信息

表2 輻射板信息

1.2 試件樣本

設(shè)備模擬板試件通過導(dǎo)熱填料安裝于輻射板上,選用的導(dǎo)熱填料包括RKTL-DRZ-2型導(dǎo)熱脂和RKTL-DRNJ-1型導(dǎo)熱凝膠,同時(shí)作為比對(duì),部分試件樣本也選用了RKTL-DRZ-1型導(dǎo)熱脂及干接觸的方式,考慮航天器上設(shè)備典型的固定螺釘分布情況,先后對(duì)28個(gè)試件樣本開展了試驗(yàn)研究,獲取了28組樣本數(shù)據(jù)。

與RKTL-DRZ-1型導(dǎo)熱脂相比,RKTL-DRZ-2型導(dǎo)熱脂為改進(jìn)型產(chǎn)品,對(duì)界面的接觸傳熱系數(shù)有很大改善,為單組份膠;RKTL-DRNJ-1型導(dǎo)熱凝膠為雙組份膠,不爬油,對(duì)界面的接觸傳熱系數(shù)無改善。幾款導(dǎo)熱填料的主要性能參數(shù)見表3。

表3 不同導(dǎo)熱填料性能

導(dǎo)熱脂及導(dǎo)熱凝膠均按照規(guī)范要求進(jìn)行實(shí)施,主要包括安裝面的清潔、導(dǎo)熱填料使用前的充分?jǐn)嚢?、?dǎo)熱填料在兩側(cè)安裝面的均勻涂覆(厚度為0.1～0.2mm)、清膠、加壓固化等。

1.3 接觸傳熱系數(shù)計(jì)算方法

試驗(yàn)裝置的熱流如圖6所示。在接觸的2個(gè)界面開槽布置熱電偶測(cè)點(diǎn),可直接測(cè)量2個(gè)界面的溫度,因此根據(jù)接觸傳熱公式直接計(jì)算界面接觸傳熱系數(shù)。

圖6 試驗(yàn)裝置熱流

式中:h為界面接觸傳熱系數(shù),W·m-2·K-1;Q為加熱器功率,W;Qmli為多層漏熱量,見式(2),W;A為界面接觸面積,m2;T1為設(shè)備模擬板側(cè)界面平均溫度,K;T2為輻射板側(cè)界面平均溫度,K。

Qmli=A·εeff·σ·(T14—Ts4)

(2)

式中:εeff為多層當(dāng)量發(fā)射率;σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù);Ts為熱沉溫度,K。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)28個(gè)試件樣本進(jìn)行接觸傳熱系數(shù)測(cè)試試驗(yàn),試件樣本的安裝狀態(tài)及計(jì)算獲得的接觸傳熱系數(shù)如表4所示。

表4 試驗(yàn)結(jié)果

2.2 誤差分析

影響接觸傳熱系數(shù)計(jì)算的誤差主要包括以下幾方面。

(1)測(cè)溫誤差。試驗(yàn)裝置采用熱電偶測(cè)溫系統(tǒng),考慮熱電偶標(biāo)定、安裝及測(cè)量?jī)x器精度等因素,測(cè)量誤差不超過1℃。

(2)穩(wěn)定判據(jù)誤差。試驗(yàn)工況穩(wěn)定判據(jù)按照《GJB1033A-2005衛(wèi)星熱平衡試驗(yàn)方法》執(zhí)行,各試驗(yàn)工況結(jié)束時(shí)測(cè)溫點(diǎn)溫度滿足穩(wěn)定條件,由此引起的試驗(yàn)溫度與穩(wěn)定值的偏差不超過1℃。

(3)功率測(cè)量誤差。試驗(yàn)中加熱器功率偏差不超過2%。

(4)多層漏熱量偏差。多層當(dāng)量發(fā)射率計(jì)算值偏差不超過0.02。

綜合考慮上述誤差影響,根據(jù)式(1)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果,可得表4中對(duì)應(yīng)接觸傳熱系數(shù)的計(jì)算結(jié)果偏差最大約2.8%。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 實(shí)施效果評(píng)估

每個(gè)試件樣本完成試驗(yàn)后,均對(duì)其導(dǎo)熱填料的涂覆狀態(tài)進(jìn)行檢查,檢查結(jié)果如下。

(1)RKTL-DRZ-1型導(dǎo)熱脂和RKTL-DRZ-2型導(dǎo)熱脂的涂覆狀態(tài)良好,保證了設(shè)備模擬板與輻射板之間的良好接觸。

(2)第1組#2-1-3,#2-2-3,#2-3-3,#3-1-3,#3-2-3,#3-3-3,以及第2組#2-1-4,#2-2-4,#2-3-4,#3-1-4,#3-2-4,#3-3-4,共12個(gè)試件樣本選用RKTL-DRNJ-1型導(dǎo)熱凝膠。其中:第1組6個(gè)試件樣本的導(dǎo)熱凝膠存在未能有效結(jié)合現(xiàn)象且表面光滑(見圖7),設(shè)備模擬板與輻射板之間未通過導(dǎo)熱凝膠實(shí)現(xiàn)良好接觸,因此本組試件樣本的接觸傳熱系數(shù)均較低;第2組6個(gè)試件樣本的導(dǎo)熱凝膠能有效結(jié)合現(xiàn)象且表面成漁網(wǎng)紋狀(見圖8),設(shè)備模擬板與輻射板之間接觸良好,因此本組試件樣本的接觸傳熱系數(shù)遠(yuǎn)高于第1組試件樣本的接觸傳熱系數(shù)。

圖7 RKTL-DRNZ-1未良好接觸的光滑表面

圖8 RKTL-DRNZ-1良好接觸的漁網(wǎng)紋狀表面

上述情況表明:①RKTL-DRZ-2型導(dǎo)熱脂按照目前的導(dǎo)熱脂規(guī)范進(jìn)行實(shí)施即可保證良好的界面填充效果。②RKTL-DRNJ-1型導(dǎo)熱凝膠為雙組份膠,實(shí)施前將2種組份按一定比例進(jìn)行配制,并要求在配制完成后的1h內(nèi)完成導(dǎo)熱凝膠的實(shí)施,以避免固化。前文中第1組選用RKTL-DRNJ-1型導(dǎo)熱凝膠的6個(gè)試驗(yàn)樣本在實(shí)施時(shí)室溫約32℃,且配比完成至實(shí)施完成的時(shí)間接近1h,較高的室溫及較長(zhǎng)的實(shí)施時(shí)間導(dǎo)致實(shí)施完成時(shí)安裝界面兩側(cè)的凝膠表面已開始固化,進(jìn)而導(dǎo)致試件樣本安裝界面兩側(cè)的凝膠未能有效結(jié)合、填充;第2組選用RKTL-DRNJ-1型導(dǎo)熱凝膠的6個(gè)試件樣本實(shí)施時(shí)室溫約25℃,配比完成至實(shí)施完成的時(shí)間約40min,導(dǎo)熱凝膠的填充效果得到了很好的保證。由此可見,對(duì)于RKTL-DRNJ-1型導(dǎo)熱凝膠,除滿足實(shí)施規(guī)范要求外,還應(yīng)嚴(yán)格控制整個(gè)實(shí)施過程的時(shí)間,并應(yīng)對(duì)環(huán)境溫濕度進(jìn)行控制,以避免凝膠快速固化,進(jìn)而影響界面填充效果。今后還要進(jìn)一步開展工藝驗(yàn)證試驗(yàn),尋找最優(yōu)實(shí)施控制時(shí)間和溫濕度要求。

2.3.2 接觸傳熱系數(shù)分析

由表3中試驗(yàn)結(jié)果(不含實(shí)施狀態(tài)不佳的#2-1-3,#2-2-3,#2-3-3,#3-1-3,#3-2-3,#3-3-3共6個(gè)試件樣本)可分析得到如下結(jié)論。

(1)在相同安裝狀態(tài)下,RKTL-DRZ-2型導(dǎo)熱脂的接觸傳熱系數(shù)最高,RKTL-DRZ-1型導(dǎo)熱脂次之,RKTL-DRNJ-1型導(dǎo)熱凝膠最低。

(2)RKTL-DRZ-2型導(dǎo)熱脂的接觸傳熱系數(shù)是RKTL-DRZ-1型導(dǎo)熱脂的1.1倍～4.7倍;接觸面的面積越小、固定螺釘越密,RKTL-DRZ-2型導(dǎo)熱脂對(duì)接觸傳熱系數(shù)的改善效果越明顯。

(3)RKTL-DRNJ-1型導(dǎo)熱凝膠的接觸傳熱系數(shù)是RKTL-DRZ-1型導(dǎo)熱脂的0.6～0.8;接觸面的面積越小、固定螺釘越密,RKTL-DRNJ-1型導(dǎo)熱凝膠對(duì)接觸傳熱系數(shù)的改善效果越接近于RKTL-DRZ-1型導(dǎo)熱脂。

(4)不同設(shè)備模擬板尺寸及不同固定螺釘分布,對(duì)界面接觸傳熱系數(shù)有較大影響。為保證設(shè)備安裝面的良好接觸,建議設(shè)備底面任意點(diǎn)與安裝螺釘?shù)木嚯x不超過150mm;對(duì)大尺寸、高熱流密度設(shè)備,可采用在設(shè)備底板中部增加螺紋孔、通過從設(shè)備安裝板外側(cè)擰入螺釘?shù)姆绞焦潭?以強(qiáng)化界面接觸傳熱效果。

(5)根據(jù)多年航天器研制經(jīng)驗(yàn),通過熱平衡試驗(yàn)、在軌航天器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)修正熱分析模型得到的RKTL-DRZ-1型導(dǎo)熱脂在航天器上使用狀態(tài)下的接觸傳熱系數(shù),為本文試驗(yàn)結(jié)果的0.3～0.5,這可能主要是由于試驗(yàn)采用10mm厚的鋁板(剛度約等同于33mm厚的鋁蒙皮蜂窩板),其剛度較航天器上常用的25.6mm厚或21mm厚的鋁蒙皮蜂窩板更好。

2.4 導(dǎo)熱填料選用建議

本文獲取的航天器用導(dǎo)熱填料實(shí)施經(jīng)驗(yàn),尤其對(duì)于RKTL-DRNJ-1型導(dǎo)熱凝膠,其環(huán)境溫濕度、操作時(shí)間是保證實(shí)現(xiàn)良好實(shí)施效果的關(guān)鍵控制條件,對(duì)于工程實(shí)施具有很好的指導(dǎo)意義。此外,本文獲取的RKTL-DRZ-2型導(dǎo)熱脂、RKTL-DRNJ-1型導(dǎo)熱凝膠相對(duì)于RKTL-DRZ-1型導(dǎo)熱脂在應(yīng)用狀態(tài)下對(duì)界面?zhèn)鳠嵝Ч纳魄闆r,能作為航天器熱設(shè)計(jì)及熱分析的參考,可提高熱分析的準(zhǔn)確性以制定合理的熱設(shè)計(jì)方案,對(duì)航天器熱設(shè)計(jì)具有很好的參考價(jià)值。綜合考慮航天器用各種導(dǎo)熱填料的特性及應(yīng)用狀態(tài)下的換熱性能表現(xiàn),給出了航天器用導(dǎo)熱填料的選用建議,如表5所示。

表5 導(dǎo)熱填料選用建議

3 結(jié)論

本文采用試驗(yàn)方法對(duì)2款新開發(fā)的航天器用導(dǎo)熱填料RKTL-DRZ-2型導(dǎo)熱脂和RKTL-DRNJ-1型導(dǎo)熱凝膠在應(yīng)用狀態(tài)下的接觸傳熱性能進(jìn)行試驗(yàn)研究,并與目前常用的RKTL-DRZ-1型導(dǎo)熱脂進(jìn)行比對(duì),結(jié)論如下。

(1)在相同安裝狀態(tài)下,對(duì)界面接觸傳熱性能改善效果由高到低依次為RKTL-DRZ-2型導(dǎo)熱脂、RKTL-DRZ-1型導(dǎo)熱脂、RKTL-DRNJ-1型導(dǎo)熱凝膠。

(2)對(duì)于導(dǎo)熱凝膠的實(shí)施,為保證實(shí)施過程中導(dǎo)熱凝膠有效結(jié)合,應(yīng)對(duì)環(huán)境的溫濕度及實(shí)施時(shí)間進(jìn)行嚴(yán)格控制。

此外,考慮各種導(dǎo)熱填料的特點(diǎn),本文給出了導(dǎo)熱填料在應(yīng)用時(shí)的選用建議,可為選用導(dǎo)熱填料時(shí)的熱設(shè)計(jì)及熱控實(shí)施提供參考。